JP3392753B2 - 廃棄物プラズマ溶融炉の運転制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、焼却灰、飛灰、残
渣等の廃棄物を溶融処理する廃棄物プラズマ溶融炉に係
り、特に該溶融炉の制御を行なうために、運転時の電
圧、電流、電極位置信号など各種信号の変化を基に判断
して運転制御を行なう廃棄物プラズマ溶融炉の運転制御
方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来より都市ごみや、下水汚泥、産業廃
棄物などの焼却灰、残渣（以下単に廃棄物と呼ぶ）は多
くの場合埋め立て処理をされている。しかし、近年埋め
立て地の確保が次第に困難になっているため、埋め立て
られる廃棄物の容積を小さくする方法が要望されてい
る。また、埋め立てられた廃棄物から重金属などの有害
物質が雨水、地下水に溶出して、二次公害を引き起こす
問題も懸念されており、これらの無公害化の技術も要望
されている。一方、資源の再利用の観点から、従来廃棄
物として埋め立てられていた物も再利用化の要望があ
る。 【０００３】都市ごみの焼却灰は磁気選別やふるいによ
り選別され、金属物質は新たな資源として再利用されて
いるが、残った灰の再利用方法の要望も出されている。
このような要望に対し、プラズマ炉、反射炉、誘導炉な
どの溶融処理炉に廃棄物を投入してこれらを溶融処理す
る方法が実現している。これらの方法によれば、廃棄物
を高温で溶融することで、廃棄物中の有害成分を高温分
解するとともに、金属成分を溶融金属として溶融スラグ
から分離することができる。溶融スラグを固化したもの
は廃棄物からの減容率が大きく、スラグ中の有害物質は
雨水、地下水に溶出しないのでこのまま埋め立てても二
次公害の心配はない。また、溶融スラグは砂利、小石の
代わりにコンクリートの骨材や、ブロック化して道路の
タイルに利用するなど再利用することもできる。 【０００４】溶融処理炉の一つであるプラズマ灰溶融炉
は炉内に挿設した主電極（プラズマトーチ）と炉底電極
間にアークを発生させると共に、該アーク放電部の周囲
をガス流で冷却することにより、エネルギー密度が著し
く増大した高温のプラズマアーク流が得られる。本廃棄
物プラズマ溶融炉は、該プラズマアーク熱および前記電
極間を流れる電流のジュール熱により、焼却灰、飛灰、
残渣等の廃棄物を溶融処理するものである。 【０００５】かかる廃棄物プラズマ溶融炉の従来例を図
３にて説明する。プラズマ灰溶融炉１は直流電源装置２
を持ち、炉上部から差し込まれた主電極５に前記直流電
圧を印加して、炉底電極６との間でアーク放電させると
ともに高温のプラズマアークを発生させる。この状態
で、被溶融物投入ホッパ１１より被溶融物供給口７を介
して投入された焼却灰は、プラズマアークの輻射熱とと
もに、溶融スラグ９と溶融メタル１０中を通る電流が発
生するジュール熱により熱せられ溶融する。 【０００６】溶融した灰のうち金属成分は比重が重いた
め溶融メタル１０として炉底側に沈む。又灰の溶けた溶
融スラグ９は炉中に留まりながら、該溶融スラグ９の液
面レベルが上がると出滓口からあふれ出る。あふれ出た
溶融スラグ９は出滓樋３を伝わり出滓スラグ４としてス
ラグコンベヤ８へ導かれ、スラグコンベヤ８上で冷却固
化される。また、冷却用の水を満たした桶へ出滓スラグ
４を導き、急冷を行なう水砕スラグ方式もある。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】さて、前記したプラズ
マ溶融炉等の廃棄物溶融処理炉１は、炉内温度が千数百
℃と高温のため炉内状況を把握するためのセンサの炉内
設置が困難であり、炉内監視ができない。そこで、従来
は熟練した運転員の経験と勘による経験則を基に運転を
行なっているが、運転する上で炉内状況の把握は必須事
項であり、その監視方法の開発が急務とされている。 【０００８】本発明はかかる課題を解決するために、熟
練運転員に頼らず、炉内状況の変化を表す運転時の各種
信号の変化を炉外に配置したセンサ（測定装置）より取
込み、該各種信号の変化を組合せて溶融炉内状況を推測
して適切な運転制御を行なう廃棄物プラズマ溶融炉の運
転制御方法を提供することを目的とする。 【０００９】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の要旨は、炉内に挿設された主電極と炉底電極
間に直流電圧を印加し、該電極間に発生するプラズマア
ーク熱および該電極間を流れる電流のジュール熱によ
り、焼却灰、飛灰、残渣等の廃棄物を溶融処理する廃棄
物プラズマ溶融炉において、前記主電極と炉底電極間の
電圧、該電極間を流れる電流、前記主電極の挿設位置、
被溶融物の供給状態、炉壁温度、冷却水温度、排ガス濃
度、炉内温度、炉内圧力、冷却水流量、炉からの排ガス
流量、排ガス濃度の少なくとも２つ以上の信号を取り込
み、信号の変化状態の組み合わせにより、炉内の溶融運
転状態を把握し、炉制御装置により所定の運転制御を行
なうことにある。 【００１０】そして本発明は、前記廃棄物プラズマ溶融
炉において、前記主電極と炉底電極間の電圧、該電極間
を流れる電流、前記主電極の挿設位置及び被溶融物の供
給状態の４つの信号を取込み、該４つの信号の変化状態
の組み合わせにより炉内の溶融運転状態を把握し、炉制
御装置により所定の運転制御を行なうことを第１の特徴
とする。 【００１１】より具体的には、前記主電極と炉底電極間
の電圧、該電極間を流れる電流、前記主電極の挿設位置
及び被溶融物の供給状態の４つの信号の内、電圧信号の
みが下降変化により、誤差等を加味した基準レベル（基
準範囲も含む）を外れた状態にあり、他の３つの信号が
前記基準レベル内である場合に、被溶融物が炉内供給口
部付近において閉塞して炉内に供給されにくくなってい
ると判断して、閉塞解除装置を起動させることを第２の
特徴とする。 【００１２】かかる発明によれば、炉内に温度計や赤外
線カメラ等のセンサを設置しなくても炉外に配置したセ
ンサより検知可能な電極間電圧・電流・主電極位置・被
溶融物投入状態のなどから炉内状況を推測し溶融炉の運
転が行なえる。 【００１３】特に本発明によれば、投入装置が稼動して
いるにもかかわらず炉内へ被溶融物が入らなくなったこ
とに気づかずそのままの条件で運転を継続した場合に生
じる炉内温度の異常上昇を有効に阻止し、炉内耐火物の
熱劣化や短寿命化を防止し得る運転制御を行なうことが
出来る。 【００１４】 【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定
的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定
する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。 【００１５】以下に本発明の実施形態に係る廃棄物プラ
ズマ溶融炉とその運転制御方法について図１及び図２に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る廃棄
物プラズマ溶融炉を示す基本構成図で、前記従来技術に
記載したように、１はプラズマ灰溶融炉、２は主電極５
に直流電圧を印加する直流電源装置、３は炉内よりの溶
融スラグ９を出滓する出滓樋、４は出滓樋３より排出さ
れた出滓スラグ、５は炉頂部より炉内に挿設された主電
極、６は炉底電極、７は被溶融物投入ホッパ１１より焼
却灰等の被溶融物を炉内に投入する被溶融物供給口、８
は出滓スラグ４を搬送冷却するスラグコンベヤ、９、１
０は炉内で比重さにより二層に分離された溶融スラグと
溶融メタルで、かかる構成は図３の従来技術で説明した
通りである。 【００１６】そして本実施形態においては、前記従来技
術に下記の構成が付加されている。３０は前記主電極５
と炉底電極６間に印加される直流電圧を測定する電圧
計、３１は前記電極間５／６に流れる電流を測定する電
流計、３４は主電極５を炉内の溶融スラグ９液面上方の
適切位置に挿設する電極昇降装置、３３は前記主電極５
の挿設位置を検出する電極位置検出器、３２はホッパ１
１より投入され、供給口７側に供給される被溶融物の計
量を行ないながら被溶融物の投入を行なう投入装置兼計
量器、３５は閉塞解除装置で、投入装置３２により溶融
炉内へ投入された被溶融物が、投入口付近や投入ホッパ
１１内でアーチングや詰まりが発生して、投入装置３２
が稼動しているにもかかわらず炉内へ被溶融物が入らな
くなった場合にその閉塞を解除するものである。 【００１７】２２ａ〜２２ｄは、前記電圧計３０により
測定される主電極５と炉底電極６間の電圧、前記電流計
３１により測定される該電極間５／６を流れる電流、前
記電極位置検出器３３により測定される主電極５の挿設
位置、及び前記投入装置兼計量器３２より測定される被
溶融物の供給状態の夫々の信号を取込み、図２に後記す
る回路構成にて所定の演算を行なう電圧検出演算装置２
２ａ、電流検出演算装置２２ｂ、電極位置検出演算装置
２２ｃ、供給状態検出演算装置２２ｄである。 【００１８】２１は条件判断装置で、前記検出演算装置
２２ａ〜２２ｄより所定の演算処理された４つの信号を
取込み、該４つの信号の変化状態の組み合わせにより事
前に定めてあるルールに基き判断を行ない、言換えれば
所定の条件にしたがって炉内の溶融運転状態を把握し、
炉制御装置２０側に所定の制御信号を送出する。 【００１９】例えば、前記電圧、電流、前記主電極５の
挿設位置及び被溶融物の供給状態の４つの信号の内、電
圧信号のみが誤差等を加味した基準レベル（基準範囲も
含む）を外れた状態にあり、他の３つの信号が前記基準
レベル内である場合に、被溶融物が炉内供給口７付近に
おいて閉塞して炉内に供給されにくくなっていると判断
して、閉塞解除装置３５を起動させる制御信号を炉制御
装置側２０に送出する。 【００２０】炉制御装置２０は、前記条件判断装置２１
よりの制御信号を受けて、閉塞解除装置３５の作動、直
流電源装置２の電圧／電流制御、主電極５の挿設位置調
整を行なう電極昇降装置３４の制御等を行なう。 【００２１】次に本実施形態の作用を説明する。本灰溶
融装置では、被溶融物は、被溶融物投入装置３２により
ホッパ１１より被溶融物供給口７を介して溶融炉内へ投
入されるが、投入口付近や投入ホッパ１１内でアーチン
グや詰まりが発生して、投入装置３２が稼動しているに
もかかわらず炉内へ被溶融物が入らなくなることがあ
る。このような場合、被溶融物が入らなくなったことに
気づかずそのままの条件で主電極５に電圧を印加して運
転を続けると、主電極５より放電されるプラズマアーク
より供給されるエネルギーは溶融に使われなくなるため
エネルギー供給過剰となり、炉内温度が上昇して炉内耐
火物の寿命を短くする危険がある。 【００２２】そこで被溶融物が供給されていることを確
認したいが、炉内は高温のため投入監視センサや温度セ
ンサ、更には計量センサを長期安定して設置することは
困難であり、被溶融物の投入が炉内へ正常に続いている
かを知る手段が無い。被溶融物が炉内へ入らなくなる
と、溶融スラグ液面上方の、主電極５周囲の炉内雰囲気
中に舞う被溶融物の密度が下がり、この結果主電極５と
炉底電極６間の抵抗が小さくなることから、前記直流電
源装置２が定電流電源である為、電極間５／６電位が下
がる傾向にある。 【００２３】本実施形態は、かかる点に着目し、主電極
５への印加電圧の下降状態を捉え、電圧が下がった場合
には投入物の詰まり状態を予測することとする。しか
し、前記電圧が下がる他の要素も考慮しなければならな
い。例えば運転電流が変化すれば比例して電圧も変動す
るため、電流が下がれば、電圧も下がる。その為電流の
変化にも着目し監視する。また、前記電極間５／６の距
離によっても電圧は変化し、前記主電極５を溶融スラグ
液面側に降下させると電圧は下がる。このため主電極５
の挿設位置についても監視する。又供給口７付近や投入
ホッパ１１内でアーチングや詰まり以外の要件で、被溶
融物の供給量を人間が人為的に操作して減少させた場合
も電圧は下がるので、投入量変化も監視することとす
る。 【００２４】以上のことから、次の様な運転ルールを予
め設定し、電圧検出演算装置２２ａ、電流検出演算装置
２２ｂ、電極位置検出演算装置２２ｃ、供給状態検出演
算装置２２ｄよりの入力信号に基づいて、条件判断装置
２１で判定する。 （運転ルール） ＩＦ：（電圧Ｖは下降変化有り）＆（電流Ａ変化は無
い）＆（電極Ｐの位置変化は無い）＆ （被溶融物Ｔの
投入装置稼動中である） 【００２５】そして前記４つの条件が満たされた場合
に、被溶融物が詰まったと判断し、条件判断装置２１よ
り閉塞解除装置３５を起動させる制御信号を炉制御装置
２０側に送出し、被溶融物の詰まり解消を図る。 【００２６】尚、前記した信号検出演算装置２２は、例
えば図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す構成によって、
電圧、電流、主電極挿設位置、及び被溶融物供給量の測
定信号の変化を検出する。 【００２７】例えば図２（ａ）に示すように、信号検出
演算装置２２はノイズ除去フィルタ４０と、微分器４１
と、判定器４２からなり、前記電圧計等より入力された
測定信号は、ノイズ除去フィルタ４０により、測定時の
ノイズを取り除き、微分器４１へ入る。ここで信号はそ
の変化の傾き成分χが取り出され、次の判定器４２へ入
力される。 【００２８】判定器４２では誤差成分を加味してほぼ一
定で変化無しと判断する基準値ａを設定しておき、前記
傾き成分χがａよりも大きければ上昇傾向にあり、又−
ａより小さければ下降傾向にあると判断しておき、各電
圧、電流等の前記４つの測定信号毎に、所定の基準値ａ
を定め、上昇／一定／下降を信号の変化の特徴として例
えばデジタル的に出力する。（例えば上昇：＋１／一
定：０／下降：−１） 【００２９】尚、上記実施形態において、信号検出演算
装置２２、条件判断装置２１は、アナログ−デジタル変
換器、デジタル−アナログ変換器などによりコンピュー
タへ信号を取り込み、デジタル出力できる構成として、
上記特徴抽出、条件判断機能をソフトウエアで実現する
ことも可能である。 【００３０】また、信号検出演算装置２２は図２
（ｂ）、（ｃ）に示すような、ノイズ除去フィルタ４０
と、判定器４２のみで構成することが出来る。例えば
（ｂ）の信号検出演算装置２２では、ノイズ除去フィル
タ４０により、測定時のノイズを取り除いた測定値を判
定器４２に投入し、該判定器４２内で予め定めた上限基
準レベルａと下限基準レベルｂとを比較し、該比較結果
に基づいて［高位・中位・低位］の各信号を条件判断装
置２１に送出する。 【００３１】又（ｃ）の信号検出演算装置２２では、ノ
イズ除去フィルタ４０により、測定時のノイズを取り除
いた測定値を判定器４２に投入し、該判定器４２内で予
め定めた目標値ａと誤差成分ｂに基づいて上限定常レベ
ル（ａ＋ｂ）と下限定常レベル（ａ−ｂ）とを比較し、
該比較結果に基づいて［オーバー・一致・アンダー］の
各信号を条件判断装置２１に送出する。 【００３２】これらの信号検出演算装置２２はいずれも
例示であり、目的に合わせて選択・設定を行ない使用す
るものである。 【００３３】 【発明の効果】以上記載のごとく、本発明によれば、炉
内が高温の為センサによるセンシングが困難な部分の運
転を、従来は運転員の経験に負って運転していたが、本
発明では炉外に配置される複数のセンサよりの検出信号
を組合せて、所定の条件判断を行なうことで精度よい炉
内運転状態を把握することが出来、把握状態により運転
制御を行なうことにより、運転員の負荷の低減とともに
運転制御の高度化を可能とした。 【００３４】特に本発明によれば、投入装置が稼動して
いるにもかかわらず炉内へ被溶融物が入らなくなったこ
とに気づかずそのままの条件で運転を継続した場合に生
じる炉内温度の異常上昇を有効に阻止し、炉内耐火物の
熱劣化や短寿命化を防止し得る運転制御を行なうことが
出来る。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の実施形態に係る廃棄物プラズマ溶融
炉を示す基本構成図である。 【図２】 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、電圧、電流、主
電極挿設位置、及び被溶融物供給量の測定信号の変化を
検出する検出演算装置の例示を示す。 【図３】 従来例に係る廃棄物プラズマ溶融炉を示す基
本構成図である。 【符号の説明】 １ 灰溶融炉 ２ 直流電源装置 ５ 主電極 ６ 炉底電極 ９ 溶融スラグ １０ 溶融メタル １１ 被溶融物投入ホッパ ２０ 炉制御装置 ２１ 条件判断装置 ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 検出演算装置 ３０ 電圧計 ３１ 電流計 ３２ 投入装置兼計量器 ３３ 主電極挿設位置測定器 ３４ 電極昇降装置 ３５ 閉塞解除装置 ４０ ノイズ除去フィルタ ４１ 微分器 ４２ 判定器

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｂ 7/144 Ｈ０５Ｂ 7/144 Ｚ 7/18 7/18 Ｅ (56)参考文献 特開 平３−127486（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−174965（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−13178（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−54889（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−140393（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−210389（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23G 5/50 F23G 5/00 115 F23J 1/00 F27D 11/08 H05B 7/00 - 7/22

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 炉内に挿設された主電極と炉底電極間に
   直流電圧を印加し、該電極間に発生するプラズマアーク
   熱および該電極間を流れる電流のジュール熱により、焼
   却灰、飛灰、残渣等の廃棄物を溶融処理する廃棄物プラ
   ズマ溶融炉において、 前記主電極と炉底電極間の電圧、該電極間を流れる電
   流、前記主電極の挿設位置及び被溶融物の供給状態の４
   つの信号を取込み、該４つの信号の変化状態の組み合わ
   せにより炉内の溶融運転状態を把握し、炉制御装置によ
   り所定の運転制御を行なうとともに、 前記４つの信号の内、電圧信号のみが下降変化により、
   誤差等を加味した基準レベル（基準範囲も含む）を外れ
   た状態にあり、他の３つの信号が前記基準レベル内であ
   る場合に、被溶融物が炉内供給口部付近において閉塞し
   て炉内に供給されにくくなっていると判断して、 閉塞解
   除装置を起動させることを特徴とする廃棄物プラズマ溶
   融炉の運転制御方法。